JP5119568B2 - Fuel cell system control apparatus and fuel cell system control method - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池システムの制御装置及び制御方法に関し、特に、電気負荷に応じて燃料電池スタックの発電電圧及び反応ガスの供給を制御する燃料電池システムの制御装置及び制御方法に関する。   The present invention relates to a control device and a control method for a fuel cell system, and more particularly to a control device and a control method for a fuel cell system that controls the power generation voltage and the supply of reaction gas of a fuel cell stack according to an electric load.

燃料電池システムは、天然ガス等の燃料を改質して得られる水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて直接発電する発電システムであり、燃料の持つ化学エネルギーを有効に利用することが出来、環境にもやさしい特性を有しているため、実用化に向けて技術開発が本格化している。特に、燃料電池システムに要求される外部負荷に応じて燃料電池システムの発電電圧及び反応ガス圧などを制御する制御装置が盛んに研究されている。   A fuel cell system is a power generation system that directly generates electricity by electrochemically reacting hydrogen obtained by reforming a fuel such as natural gas and oxygen in the air, and effectively uses the chemical energy of the fuel. Because it is capable of being environmentally friendly, technological development is in full swing for practical application. In particular, active research has been conducted on control devices that control the power generation voltage, reaction gas pressure, and the like of a fuel cell system in accordance with an external load required for the fuel cell system.

燃料電池システムの外部負荷が急激に減少した場合、燃料電池スタックの出力もそれに合わせて低下させる必要がある。そして、燃料電池スタックの出力の低下に合わせて水素供給量も減少させる必要がある。しかし、一般的に水素の供給は循環系を構成することが多く、この場合、水素供給を減少させても水素圧力の減少がこれに追従せずに遅れてしまう。これにより、水素系と空気系の圧力バランスが崩れて、燃料電池スタック内の反応膜の耐久性が悪化してしまう。   When the external load of the fuel cell system rapidly decreases, the output of the fuel cell stack needs to be reduced accordingly. Then, it is necessary to reduce the hydrogen supply amount as the output of the fuel cell stack decreases. However, in general, the supply of hydrogen often constitutes a circulation system. In this case, even if the hydrogen supply is reduced, the decrease in the hydrogen pressure does not follow this and is delayed. As a result, the pressure balance between the hydrogen system and the air system is lost, and the durability of the reaction membrane in the fuel cell stack deteriorates.

この反応膜の耐久性悪化を防止する技術の一例が、特許文献１に開示されている。特許文献１では、電流目標値の減少率が所定の減少率を超えた時に、電流指令値は目標値の減少率よりもゆっくりと、目標値の減少率に応じて決定される減少率で減少させ、指令値の上限値である電流限界値は目標値に応じて定めている。これにより、燃料電池スタックの出力の低下が遅れるため、燃料電池システム内の水素消費が増加するので、水素圧力の減少を早めることができる。
特開２０００−３４８７４８号公報 An example of a technique for preventing the deterioration of the durability of the reaction film is disclosed in Patent Document 1. In Patent Document 1, when the current target value decrease rate exceeds a predetermined decrease rate, the current command value decreases more slowly than the target value decrease rate at a decrease rate determined according to the target value decrease rate. The current limit value that is the upper limit value of the command value is determined according to the target value. As a result, the decrease in the output of the fuel cell stack is delayed, and the hydrogen consumption in the fuel cell system increases, so the decrease in the hydrogen pressure can be accelerated.
JP 2000-348748 A

しかし、燃料電池スタックの出力の低下を遅らせたことにより、余剰の電力が生じてしまう。この余剰の電力を吸収するために２次電池を備えることが考えられる。しかし、２次電池の充電状態によっては、この余剰電力を充電できない恐れもある。   However, excessive power is generated by delaying the decrease in the output of the fuel cell stack. In order to absorb this surplus power, it is conceivable to provide a secondary battery. However, depending on the state of charge of the secondary battery, this surplus power may not be charged.

本発明の第１の特徴は、燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの制御装置であって、当該制御装置が、燃料電池スタックに要求される第１の目標発電電力を算出する第１の目標発電電力算出手段と、第１の目標発電電力に対して変化率制限、若しくは、一次遅れ処理により得られる第２の目標発電電力を算出する第２の目標発電電力算出手段と、第２の目標発電電力に基づいて燃料電池スタックの発電電力を制御する発電電力制御手段と、前記燃料電池スタックの発電電力が減少する場合には、前記第１の目標発電電力に基づいて燃料ガスの供給を制御するガス供給制御手段とを有することを要旨とする。
A first feature of the present invention is a control device for a fuel cell system including a fuel cell stack that generates electricity by electrochemically reacting a fuel gas and an oxidant gas, and the control device is a fuel cell stack. First target generated power calculating means for calculating the first target generated power required for the first target generated power, and second target generated power obtained by rate of change restriction or first order lag processing for the first target generated power A second target generated power calculating means for calculating the power, a generated power control means for controlling the generated power of the fuel cell stack based on the second target generated power, and when the generated power of the fuel cell stack decreases. , and summarized in that and a gas supply control means for controlling the supply of fuel gas based on the first target generated power.

本発明の第２の特徴は、燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池スタックに要求される第１の目標発電電力を算出し、第１の目標発電電力に対して変化率制限、若しくは、一次遅れ処理により得られる第２の目標発電電力を算出し、第２の目標発電電力に基づいて燃料電池スタックの発電電力を制御し、前記燃料電池スタックの発電電力が減少する場合には、前記第１の目標発電電力に基づいて燃料ガスの供給を制御することを要旨とする。
A second feature of the present invention is a control method of a fuel cell system including a fuel cell stack that generates electricity by electrochemically reacting a fuel gas and an oxidant gas, and is required for the fuel cell stack. 1 target generated power is calculated, the second target generated power obtained by limiting the rate of change with respect to the first target generated power or the first-order lag processing is calculated, and fuel is generated based on the second target generated power. and controlling the generated power of the fuel cell stack, wherein when the generated power of the fuel cell stack is decreased, and summarized in that for controlling the supply of fuel gas based on the first target generated power.

本発明によれば、燃料電池スタックの電気負荷が減少する場合に、余剰電力の発生を抑制する燃料電池システムの制御装置及び制御方法を提供することが出来る。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when the electric load of a fuel cell stack reduces, the control apparatus and control method of a fuel cell system which suppress generation | occurrence | production of surplus electric power can be provided.

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals.

図１に示すように、本発明の実施の形態に係わる燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３へ供給される燃料ガスとしての水素ガスを貯蔵する水素タンク２３と、水素タンク２３から供給される水素ガスの圧力を制御する水素圧力制御弁１４と、水素圧力制御弁１４を通過した水素ガスと燃料電池スタック３から排出された未反応の水素ガス（排水素ガス）とを混合して燃料電池スタック３の水素導入口へ供給するエゼクタ１と、燃料電池スタック３の水素ガスの排出口とエゼクタ１とを繋ぐ水素循環流路２と、燃料電池スタック３の水素ガスの排出口に接続された水素パージ弁４と、燃料電池スタック３へ供給される酸化剤ガスとしての空気を圧縮して燃料電池スタック３の空気導入口へ供給するコンプレッサ６と、コンプレッサ６から送出される空気の流量を測定する空気流量センサ１６と、燃料電池スタック３の空気の排出口に接続された空気圧力制御弁１２と、燃料電池スタック３と電気負荷の間に配置された電力制御装置２４と、燃料電池システムの構成要素の動作を制御するコントローラ１３とを有する。本発明の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御装置は、コントローラ１３によって実現されている。   As shown in FIG. 1, a fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell stack 3 that generates electricity by electrochemically reacting a fuel gas and an oxidant gas, and is supplied to the fuel cell stack 3. A hydrogen tank 23 that stores hydrogen gas as a fuel gas, a hydrogen pressure control valve 14 that controls the pressure of the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 23, and a hydrogen cell that has passed through the hydrogen pressure control valve 14 and a fuel cell stack An ejector 1 that mixes unreacted hydrogen gas (exhaust hydrogen gas) discharged from the fuel cell 3 and supplies it to the hydrogen inlet of the fuel cell stack 3, and a hydrogen gas outlet of the fuel cell stack 3 and the ejector 1. The hydrogen circulation passage 2 to be connected, the hydrogen purge valve 4 connected to the hydrogen gas discharge port of the fuel cell stack 3, and the air as the oxidant gas supplied to the fuel cell stack 3 are compressed and burned. The compressor 6 supplied to the air inlet of the battery stack 3, the air flow sensor 16 for measuring the flow rate of air sent from the compressor 6, and the air pressure control valve 12 connected to the air outlet of the fuel cell stack 3 And a power control device 24 disposed between the fuel cell stack 3 and the electric load, and a controller 13 for controlling the operation of the components of the fuel cell system. The control device of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention is realized by the controller 13.

水素タンク２３から供給される水素ガスは、水素圧力制御弁１４を経由してエゼクタ１に供給される。水素ガスは、エゼクタ１で水素循環流路２を通過してきた排水素ガスと混合されて燃料電池スタック３に供給される。燃料電池スタック３の水素ガスの導入口での水素ガスの温度Ｔ及び圧力Ｐはそれぞれ、水素入口温度センサ８及び水素入口圧力センサ９で測定される。コントローラ１３は、水素入口圧力センサ９で測定される圧力に基づいて水素圧力制御弁１４の開度を制御する。通常、水素パージ弁４は閉じており、燃料電池スタック３から排出される水素ガスは水素循環流路２に流される。水素タンク２３内の温度及び圧力はそれぞれタンク温度センサ２２及びタンク圧力センサ２１によって測定される。   Hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 23 is supplied to the ejector 1 via the hydrogen pressure control valve 14. The hydrogen gas is mixed with the exhaust hydrogen gas that has passed through the hydrogen circulation passage 2 by the ejector 1 and supplied to the fuel cell stack 3. The hydrogen gas temperature T and pressure P at the hydrogen gas inlet of the fuel cell stack 3 are measured by a hydrogen inlet temperature sensor 8 and a hydrogen inlet pressure sensor 9, respectively. The controller 13 controls the opening degree of the hydrogen pressure control valve 14 based on the pressure measured by the hydrogen inlet pressure sensor 9. Normally, the hydrogen purge valve 4 is closed, and the hydrogen gas discharged from the fuel cell stack 3 flows through the hydrogen circulation passage 2. The temperature and pressure in the hydrogen tank 23 are measured by a tank temperature sensor 22 and a tank pressure sensor 21, respectively.

酸化剤ガスとしての空気はコンプレッサ６により供給される。空気流量センサ１６は、コンプレッサ６により供給された空気の流量を計量する。計量された空気は、燃料電池スタック３へ供給される。燃料電池スタック３の空気導入口での空気の圧力は、空気入口圧力センサ１５で測定され、空気圧力制御弁１２で制御される。   Air as the oxidant gas is supplied by the compressor 6. The air flow sensor 16 measures the flow rate of the air supplied by the compressor 6. The measured air is supplied to the fuel cell stack 3. The air pressure at the air inlet of the fuel cell stack 3 is measured by the air inlet pressure sensor 15 and controlled by the air pressure control valve 12.

燃料電池スタック３による発電により取り出される電流、即ち燃料電池スタック３の発電電流は電流センサ１７で測定される。燃料電池スタック３による発電により取り出される電圧、即ち燃料電池スタック３の発電電圧は電圧センサ１８で測定される。燃料電池スタック３による発電により取り出される電力、即ち燃料電池スタック３の発電電力は、電力制御装置２４によって制御される。   The current taken out by the power generation by the fuel cell stack 3, that is, the power generation current of the fuel cell stack 3 is measured by the current sensor 17. The voltage extracted by the power generation by the fuel cell stack 3, that is, the power generation voltage of the fuel cell stack 3 is measured by the voltage sensor 18. The power extracted by the power generation by the fuel cell stack 3, that is, the power generated by the fuel cell stack 3 is controlled by the power control device 24.

電力制御装置２４は、昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータであり、燃料電池スタック３と電気負荷の間に配置され、燃料電池スタック３の発電電力を制御する。ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、昇圧変換と降圧変換とでは、動作させるスイッチング素子がそれぞれ異なっており、スイッチング素子へ加える制御信号のデューティ比に応じて所望の電圧を出力させることができる。昇圧時には、入力電圧以上の電圧を出力するようにスイッチング素子が制御され、また、降圧時には、入力電圧以下の電圧を出力するようにスイッチング素子が制御される。   The power control device 24 is a step-up / step-down DC / DC converter, which is disposed between the fuel cell stack 3 and the electric load, and controls the generated power of the fuel cell stack 3. In the DC / DC converter, the step-up conversion and the step-down conversion operate different switching elements, and a desired voltage can be output according to the duty ratio of a control signal applied to the switching element. At the time of step-up, the switching element is controlled so as to output a voltage equal to or higher than the input voltage, and at the time of step-down, the switching element is controlled so as to output a voltage equal to or lower than the input voltage.

本発明の実施の形態において、燃料電池スタック３の運転圧力は可変圧である。即ち、燃料電池スタック３の出力が高いときには運転圧力を高め、出力が低いときは運転圧力を低める。ここで、「運転圧力」には、燃料電池スタック３内の水素ガス及び空気の圧力が含まれる。   In the embodiment of the present invention, the operating pressure of the fuel cell stack 3 is a variable pressure. That is, the operating pressure is increased when the output of the fuel cell stack 3 is high, and the operating pressure is decreased when the output is low. Here, the “operating pressure” includes the pressure of hydrogen gas and air in the fuel cell stack 3.

燃料電池スタック３内に水溢れ（以下、「フラッディング」という）等が発生した場合や、燃料電池スタック３の運転圧を低下させる場合には、水素パージ弁４を開けて水素循環流路２および燃料電池スタック３内に存在する水及び水素を排出する。   When water overflow (hereinafter referred to as “flooding”) occurs in the fuel cell stack 3 or when the operating pressure of the fuel cell stack 3 is reduced, the hydrogen purge valve 4 is opened and the hydrogen circulation channel 2 and Water and hydrogen present in the fuel cell stack 3 are discharged.

総てのセンサの出力及び総ての弁のアクチュエータ駆動信号はコントローラ１３に接続されている。   All sensor outputs and actuator drive signals for all valves are connected to the controller 13.

図２に示すように、コントローラ１３は、燃料電池スタック３に要求される発電電力（以後、「第１の目標発電電力」という）を算出する第１の目標発電電力算出部３０と、第１の目標発電電力に対して位相を遅らせた発電電力（以後、「第２の目標発電電力」という）を算出する第２の目標発電電力算出部３１と、第２の目標発電電力に基づいて燃料電池スタック３の発電電力を制御する発電電力制御部３２と、第１の目標発電電力及び第２の目標発電電力の小さい方に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御するガス供給制御部３３とを備える。   As shown in FIG. 2, the controller 13 includes a first target generated power calculation unit 30 that calculates the generated power required for the fuel cell stack 3 (hereinafter referred to as “first target generated power”), A second target generated power calculation unit 31 for calculating generated power whose phase is delayed with respect to the target generated power (hereinafter referred to as “second target generated power”), and fuel based on the second target generated power A generated power control unit 32 that controls the generated power of the battery stack 3, a gas supply control unit 33 that controls the supply of hydrogen gas and air based on the smaller of the first target generated power and the second target generated power, and Is provided.

ガス供給制御部３３は、燃料電池スタック３内における水素ガスの圧力を制御する燃料ガス圧力制御部３４と、燃料電池スタック３内における空気の圧力を制御する酸化剤ガス圧力制御部３５とを備える。   The gas supply control unit 33 includes a fuel gas pressure control unit 34 that controls the pressure of hydrogen gas in the fuel cell stack 3 and an oxidant gas pressure control unit 35 that controls the pressure of air in the fuel cell stack 3. .

燃料ガス圧力制御部３４は、燃料電池スタック３の発電電力が増加する場合には、第２の目標発電電力に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御し、燃料電池スタック３の発電電力が減少する場合には、第１の目標発電電力に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御する通常制御部３６と、燃料電池スタック３の発電電力が増加する場合であって、且つ第２の目標発電電力が第１の目標発電電力よりも大きい場合には、第２の目標発電電力に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御する特別制御部３７とを備える。   When the generated power of the fuel cell stack 3 increases, the fuel gas pressure control unit 34 controls the supply of hydrogen gas and air based on the second target generated power, and the generated power of the fuel cell stack 3 decreases. In this case, the normal control unit 36 that controls the supply of hydrogen gas and air based on the first target generated power and the case where the generated power of the fuel cell stack 3 increases and the second target generated power When the electric power is larger than the first target generated electric power, a special control unit 37 that controls supply of hydrogen gas and air based on the second target generated electric power is provided.

一方、酸化剤ガス圧力制御部３５は、燃料電池スタック３へ供給される水素ガスの実際の圧力を目標酸化剤ガス圧力（以後、「目標空気圧力」という）として設定し、目標空気圧力に基づいて燃料電池スタック３へ供給される空気の圧力を制御する。   On the other hand, the oxidant gas pressure control unit 35 sets the actual pressure of the hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 3 as a target oxidant gas pressure (hereinafter referred to as “target air pressure”), and based on the target air pressure. The pressure of the air supplied to the fuel cell stack 3 is controlled.

第１の目標発電電力算出部３０は、例えば、燃料電池スタック３を搭載する車両のアクセル操作量に基づいて第１の目標発電電力を算出する。第２の目標発電電力算出部３１は、第１の目標発電電力の変化に対して少し遅れた位相の第２の目標発電電力を算出する。発電電力制御部３２は、電力制御装置２４を操作して、第２の目標発電電力に基づいて燃料電池スタック３の発電電力を制御する。ガス供給制御部３３は、水素圧力制御弁１４及び水素パージ弁４の開度を操作して水素ガスの圧力及び流量を制御し、コンプレッサ６の回転数及び空気圧力制御弁１２の開度を操作して空気の圧力及び流量を制御する。   For example, the first target generated power calculation unit 30 calculates the first target generated power based on the accelerator operation amount of the vehicle on which the fuel cell stack 3 is mounted. The second target generated power calculation unit 31 calculates the second target generated power having a phase slightly delayed from the change in the first target generated power. The generated power control unit 32 operates the power control device 24 to control the generated power of the fuel cell stack 3 based on the second target generated power. The gas supply controller 33 controls the pressure and flow rate of the hydrogen gas by operating the opening of the hydrogen pressure control valve 14 and the hydrogen purge valve 4, and controls the rotation speed of the compressor 6 and the opening of the air pressure control valve 12. Thus, the air pressure and flow rate are controlled.

次に、図３乃至図６を参照して、図１及び図２に示した燃料電池システムの制御方法、即ち制御装置（コントローラ）の制御手順を説明する。なお、図３のフローチャートは、図１及び図２の燃料電池システムの発電制御及びガス供給制御の全体を示すが、図３のＳ０１〜Ｓ０５段階は、所定時間周期、例えば１０ｍsec周期で実行される。   Next, a control method of the fuel cell system shown in FIGS. 1 and 2, that is, a control procedure of the control device (controller) will be described with reference to FIGS. 3 to 6. The flowchart of FIG. 3 shows the entire power generation control and gas supply control of the fuel cell system of FIGS. 1 and 2, but the steps S01 to S05 of FIG. 3 are executed at a predetermined time period, for example, 10 msec period. .

（イ）先ず、図３に示すように、Ｓ０１段階において、第１の目標発電電力算出部３０は、燃料電池スタック３を搭載する車両のアクセル操作量に基づいて第１の目標発電電力を算出する。   (A) First, as shown in FIG. 3, in step S01, the first target generated power calculation unit 30 calculates the first target generated power based on the accelerator operation amount of the vehicle on which the fuel cell stack 3 is mounted. To do.

（ロ）Ｓ０２段階において、第２の目標発電電力算出部３１は、第１の目標発電電力の変化に対して少し遅れた位相の第２の目標発電電力を算出する。   (B) In step S02, the second target generated power calculation unit 31 calculates the second target generated power having a phase slightly delayed from the change in the first target generated power.

（ハ）Ｓ０３段階において、ガス供給制御部３３は、水素ガス及び空気の供給を制御する基準と成る目標発電電力を選択する。即ち、ガス供給制御部３３は、第１の目標発電電力に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御するか、或いは第２の目標発電電力に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御するかの何れかを選択する。   (C) In step S03, the gas supply control unit 33 selects a target generated power serving as a reference for controlling the supply of hydrogen gas and air. That is, whether the gas supply control unit 33 controls the supply of hydrogen gas and air based on the first target generated power, or controls the supply of hydrogen gas and air based on the second target generated power Select one.

（ニ）Ｓ０４段階において、ガス供給制御部３３は、選択された目標発電電力に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御する。   (D) In step S04, the gas supply control unit 33 controls the supply of hydrogen gas and air based on the selected target generated power.

（ホ）Ｓ０５段階において、発電電力制御部３２は、電力制御装置２４を操作して、第２の目標発電電力に基づいて燃料電池スタック３の発電電力を制御する。   (E) In step S05, the generated power control unit 32 operates the power control device 24 to control the generated power of the fuel cell stack 3 based on the second target generated power.

図４に示すように、図３のＳ０１段階は、Ｓ１０１〜Ｓ１０３段階からなる。Ｓ０１段階では、燃料電池システムに接続された電気負荷の運転状態に基づいて、第１の目標発電電力を算出する。ここでは、ハイブリッド型電気自動車へ燃料電池システムを搭載した場合の処理を例にとり説明する。   As shown in FIG. 4, step S01 in FIG. 3 includes steps S101 to S103. In step S01, the first target generated power is calculated based on the operating state of the electrical load connected to the fuel cell system. Here, the processing when the fuel cell system is mounted on the hybrid electric vehicle will be described as an example.

（Ａ）先ず、Ｓ１０１段階において、車両に備えたアクセルセンサの出力に基づいて、ドライバのアクセル操作量を検出する。   (A) First, in step S101, the accelerator operation amount of the driver is detected based on the output of the accelerator sensor provided in the vehicle.

（Ｂ）Ｓ１０２段階において、車両に備えた車速センサの出力に基づいて、車両の速度を検出する。   (B) In step S102, the speed of the vehicle is detected based on the output of the vehicle speed sensor provided in the vehicle.

（Ｃ）最後に、Ｓ１０３段階において、アクセル操作量及び車両の速度に基づいて、第１の目標発電電力を算出する。例えば、アクセル操作量と車両速度とに基づいて、図７に示したマップデータを用いて第１の目標発電電力を算出する。第１の目標発電電力を算出することによって、ドライバのアクセル操作量と第１の目標発電電力は同じ位相で変化するようになる。図７に示すように、第１の目標発電電力は、アクセル操作量の増加と共に増加し、所定の電力値まで到達すると、アクセル操作量が増加してもそれ以上大きな値を取ることはない。即ち、第１の目標発電電力には最大電圧値が存在する。また、車両速度が早くなるにつれて第１の目標発電電力の上昇速度は上昇し、最大電圧値は高くなる。   (C) Finally, in step S103, the first target generated power is calculated based on the accelerator operation amount and the vehicle speed. For example, based on the accelerator operation amount and the vehicle speed, the first target generated power is calculated using the map data shown in FIG. By calculating the first target generated power, the accelerator operation amount of the driver and the first target generated power change in the same phase. As shown in FIG. 7, the first target generated power increases as the accelerator operation amount increases. When the first target generated power reaches a predetermined power value, the first target generated power does not take a larger value even if the accelerator operation amount increases. That is, the first target generated power has a maximum voltage value. Further, as the vehicle speed increases, the rising speed of the first target generated power increases and the maximum voltage value increases.

図３のＳ０２段階では、第１の目標発電電力に基づいて、位相を遅らせる処理を行うことによって、第２の目標発電電力を算出する。この位相遅れ処理は、第１の目標発電電力に対して変化率を制限することによって実施することができ、例えば、単位時間あたりの変化率の上下限値を設定して変化率の制限を行う方法や、一次遅れなどのフィルタ処理を行う方法などによって行われる。燃料電池スタック３の発電電力を変化させることが可能な変化速度の上限を超えないように、変化率の上下限値やフィルタの特性を設定する。第２の目標発電電力を算出することによって、ドライバのアクセル操作量に対して所定の位相遅れをもって、第２の目標発電電力が変化するようになる。   In step S02 of FIG. 3, the second target generated power is calculated by performing a process of delaying the phase based on the first target generated power. This phase delay processing can be performed by limiting the rate of change with respect to the first target generated power. For example, the upper and lower limits of the rate of change per unit time are set to limit the rate of change. This is performed by a method or a method of performing filter processing such as first-order delay. The upper and lower limit values of the rate of change and the filter characteristics are set so as not to exceed the upper limit of the change rate at which the generated power of the fuel cell stack 3 can be changed. By calculating the second target generated power, the second target generated power changes with a predetermined phase delay with respect to the driver's accelerator operation amount.

図５に示すように、図３のＳ０３段階は、Ｓ３０１〜Ｓ３０４段階からなる。Ｓ０３段階では、第１の目標発電電力及び第２の目標発電電力の何れかを、水素ガス及び空気のガス供給制御を行うための目標発電電力として選択する。   As shown in FIG. 5, step S03 in FIG. 3 includes steps S301 to S304. In step S03, either the first target generated power or the second target generated power is selected as the target generated power for performing the gas supply control of hydrogen gas and air.

（ａ）先ず、Ｓ３０１段階において、第１の目標発電電力及び第２の目標発電電力の小さい方を、水素ガス及び空気の供給を制御するための目標発電電力として選択する。これを「セレクトロー」と呼ぶ。   (A) First, in step S301, the smaller one of the first target generated power and the second target generated power is selected as the target generated power for controlling the supply of hydrogen gas and air. This is called “select low”.

（ｂ）Ｓ３０２段階において、発電電力が増加しているか否かを判定する。この判定は、第１の目標発電電力が増加しているか否かによって、実施することができる。発電電力が増加している場合（Ｓ３０２段階においてＹＥＳ）ＳＳ３０３段階に進み、発電電力が増加していない場合（Ｓ３０２段階においてＮＯ）処理を終了する。   (B) In step S302, it is determined whether the generated power is increasing. This determination can be performed depending on whether or not the first target generated power is increasing. If the generated power is increasing (YES in step S302), the process proceeds to step SS303, and if the generated power is not increasing (NO in step S302), the process is terminated.

（ｃ）Ｓ３０３段階において、第１の目標発電電力より第２の目標発電電力の方が大きいか否かを判定する。第１の目標発電電力より第２の目標発電電力の方が大きい場合（Ｓ３０３段階においてＹＥＳ）Ｓ３０４段階に進み、第１の目標発電電力より第２の目標発電電力の方が小さいか、あるいは等しい場合（Ｓ３０３段階においてＮＯ）処理を終了する。   (C) In step S303, it is determined whether or not the second target generated power is larger than the first target generated power. When the second target generated power is larger than the first target generated power (YES in step S303), the process proceeds to step S304, and the second target generated power is smaller than or equal to the first target generated power. If so (NO in step S303), the process ends.

（ｄ）最後に、Ｓ３０４段階において、第２の目標発電電力を、水素ガス及び空気の供給を制御するための目標発電電力として選択する。これにより、発電電力の増加時であって、第１の目標発電電力より第２の目標発電電力の方が大きい場合には、ガス供給制御を行うための目標発電電力として、第２の目標発電電力が選択される。   (D) Finally, in step S304, the second target generated power is selected as the target generated power for controlling the supply of hydrogen gas and air. Thus, when the generated power is increased and the second target generated power is larger than the first target generated power, the second target generated power is used as the target generated power for performing the gas supply control. Power is selected.

このように、ガス供給制御部３３は、通常、第１の目標発電電力及び第２の目標発電電力の小さい方に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御する（Ｓ３０１段階）。第２の目標発電電力は第１の目標発電電力に対して所定の位相遅れをもって変化する。即ち、燃料電池スタック３の発電電力が増加する場合には、第１の目標発電電力は第２の目標発電電力より大きくなり、燃料電池スタック３の発電電力が減少する場合には、第１の目標発電電力は第２の目標発電電力より小さくなる。したがって、ガス供給制御部３３は、通常、燃料電池スタック３の発電電力が増加する場合には、第２の目標発電電力に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御し、燃料電池スタック３の発電電力が減少する場合には、第１の目標発電電力に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御する通常制御部３６を稼動させる。   As described above, the gas supply control unit 33 normally controls the supply of hydrogen gas and air based on the smaller of the first target generated power and the second target generated power (step S301). The second target generated power changes with a predetermined phase delay with respect to the first target generated power. That is, when the generated power of the fuel cell stack 3 increases, the first target generated power becomes larger than the second target generated power, and when the generated power of the fuel cell stack 3 decreases, the first target generated power decreases. The target generated power is smaller than the second target generated power. Therefore, the gas supply control unit 33 normally controls the supply of hydrogen gas and air based on the second target generated power when the generated power of the fuel cell stack 3 increases, and the power generation of the fuel cell stack 3 When the power decreases, the normal control unit 36 that controls the supply of hydrogen gas and air based on the first target generated power is operated.

これに対して、ガス供給制御部３３は、燃料電池スタック３の発電電力が増加する場合であって、且つ第２の目標発電電力が第１の目標発電電力よりも大きい場合（Ｓ３０２及びＳ３０３段階においてＹＥＳ）には、第２の目標発電電力に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御する（Ｓ３０４段階）。したがって、ガス供給制御部３３は、燃料電池スタック３の発電電力が増加する場合であって、且つ第２の目標発電電力が第１の目標発電電力よりも大きい場合には、第２の目標発電電力に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御する特別制御部３７を稼動させる。   On the other hand, the gas supply control unit 33 is a case where the generated power of the fuel cell stack 3 is increased and the second target generated power is larger than the first target generated power (steps S302 and S303). In YES, the supply of hydrogen gas and air is controlled based on the second target generated power (step S304). Therefore, the gas supply control unit 33 determines that the second target power generation is performed when the generated power of the fuel cell stack 3 increases and the second target generated power is larger than the first target generated power. A special control unit 37 that controls the supply of hydrogen gas and air based on the electric power is operated.

図６に示すように、図３のＳ０４段階は、Ｓ４０１〜Ｓ４０６段階からなる。Ｓ０４段階では、ガス供給制御部３３が、選択された目標発電電力に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御する。   As shown in FIG. 6, step S04 in FIG. 3 includes steps S401 to S406. In step S04, the gas supply control unit 33 controls the supply of hydrogen gas and air based on the selected target generated power.

（１）先ず、Ｓ４０１段階において、目標発電電流を演算する。燃料電池スタック３のガス消費量は発電電流に比例するため、目標発電電流はガス供給制御の目標値として演算される。目標発電電流の演算は、図３のＳ０３段階において選択された目標発電電力に基づいて、図８に示したマップデータを用いて実施する。図８は、燃料電池スタック３の電流に対する電圧の特性をマップデータに設定したものである。燃料電池スタック３の電圧は、電流の増加と共に増加し、所定の電流値まで到達すると、電圧が増加してもそれ以上大きな値を取ることはない。即ち、燃料電池スタック３の電流電圧特性には最大電流値が存在する。また、燃料電池スタック３の温度が高くなるにつれて電流の上昇速度は低下するが、最大電流値は変化しない。この電流電圧特性は燃料電池システムの台上実験などで確認することができる。なお、燃料電池スタック３の温度は、燃料電池システムに備えた冷却液温度センサなどで検出することができる。   (1) First, in step S401, a target generated current is calculated. Since the gas consumption of the fuel cell stack 3 is proportional to the generated current, the target generated current is calculated as a target value for gas supply control. The calculation of the target generated current is performed using the map data shown in FIG. 8 based on the target generated power selected in step S03 in FIG. FIG. 8 is a graph in which the voltage characteristics with respect to the current of the fuel cell stack 3 are set in the map data. The voltage of the fuel cell stack 3 increases as the current increases. When the voltage reaches a predetermined current value, it does not take a larger value even if the voltage increases. That is, there is a maximum current value in the current-voltage characteristics of the fuel cell stack 3. In addition, as the temperature of the fuel cell stack 3 increases, the rate of current increase decreases, but the maximum current value does not change. This current-voltage characteristic can be confirmed by a bench test of a fuel cell system. The temperature of the fuel cell stack 3 can be detected by a coolant temperature sensor provided in the fuel cell system.

（２）Ｓ４０２段階において、目標水素圧力を算出する。ここでは、目標発電電流に基づいて、図９に示したテーブルデータを用いて目標水素圧力を算出する。なお、図９のテーブルデータは燃料電池スタック３の発電効率などを考慮して設定される。目標水素圧力は、目標発電電流の増加と共に増加し、所定の圧力値まで到達すると、目標発電電流が増加してもそれ以上大きな値を取ることはない。即ち、目標水素圧力には最大圧力値が存在する。   (2) In step S402, a target hydrogen pressure is calculated. Here, based on the target generated current, the target hydrogen pressure is calculated using the table data shown in FIG. The table data in FIG. 9 is set in consideration of the power generation efficiency of the fuel cell stack 3 and the like. The target hydrogen pressure increases with an increase in the target generated current. When the target hydrogen pressure reaches a predetermined pressure value, the target hydrogen pressure does not take a larger value even if the target generated current increases. That is, the target hydrogen pressure has a maximum pressure value.

（３）Ｓ４０３段階において、目標空気圧力を算出する。ここでは、酸化剤ガス圧力制御部３５が、水素入口圧力センサ９によって検出された水素ガスの実際の圧力を目標空気圧力として設定する。   (3) In step S403, the target air pressure is calculated. Here, the oxidant gas pressure control unit 35 sets the actual pressure of the hydrogen gas detected by the hydrogen inlet pressure sensor 9 as the target air pressure.

（４）Ｓ４０４段階において、水素ガスの圧力制御を行う。ここでは、燃料ガス圧力制御部３４が、目標水素圧力に基づいて、水素圧力制御弁１４を操作することによって水素ガスの圧力を制御する。水素圧力制御弁１４の操作は、水素入口圧力センサ９で検出した燃料電池スタック３内の水素ガスの圧力と目標水素圧力との偏差に基づいて、Ｆ／Ｂ制御により水素圧力制御弁１４の指令開度を決定することにより、実行される。なお、このＦ／Ｂ制御は、ＰＩ制御やモデル規範型制御など一般的によく知られている方法により構成することができる。また、水素圧力制御弁１４の指令開度は、コントローラ１３から水素圧力制御弁１４の駆動回路に対して指示され、水素圧力制御弁１４はこの指令開度に従って駆動される。   (4) In step S404, the hydrogen gas pressure is controlled. Here, the fuel gas pressure control unit 34 controls the hydrogen gas pressure by operating the hydrogen pressure control valve 14 based on the target hydrogen pressure. The operation of the hydrogen pressure control valve 14 is performed by F / B control based on the deviation between the hydrogen gas pressure in the fuel cell stack 3 detected by the hydrogen inlet pressure sensor 9 and the target hydrogen pressure. It is executed by determining the opening. This F / B control can be configured by a generally well-known method such as PI control or model reference control. Further, the command opening degree of the hydrogen pressure control valve 14 is instructed from the controller 13 to the drive circuit of the hydrogen pressure control valve 14, and the hydrogen pressure control valve 14 is driven according to the command opening degree.

（５）Ｓ４０５段階において、空気の流量制御を行う。ここでは、＜405-1＞先ず、目標発電電流に基づいて、図１０に示したテーブルデータを用いて目標空気流量を算出する。図１０のテーブルデータは、燃料電池スタック３内部で局所的な空気供給不足が起きないような空気利用率となるように設定される。目標空気流量は、目標発電電流の増加と共に増加し、所定の流量値まで到達すると、目標発電電流が増加してもそれ以上大きな値を取ることはない。即ち、目標空気流量には最大流量値が存在する。＜405-2＞次に、Ｓ４０３段階で算出した目標空気圧力と上記の目標空気流量とに基づいて、図１１に示したマップデータを用いてコンプレッサ６の指令回転数を算出する。図１１のマップデータは、コンプレッサ６の回転数と圧力比に対する空気流量の特性に基づいて設定される。コンプレッサ６の指令回転数は、目標空気流量の増加と共に増加し、所定の値まで到達すると、目標空気流量が増加してもそれ以上大きな値を取ることはない。即ち、コンプレッサ６の指令回転数には最大値が存在する。また、目標空気圧力が高くなるにつれてコンプレッサ６の指令回転数は低下するが、最大値は変化しない。ここで算出されたコンプレッサ６の指令回転数は、コントローラ１３からコンプレッサ６の駆動回路に対して指示され、コンプレッサ６は指令回転数に従って駆動される。   (5) In step S405, air flow control is performed. Here, <405-1> First, based on the target generated current, the target air flow rate is calculated using the table data shown in FIG. The table data in FIG. 10 is set so that the air utilization rate is such that local shortage of air supply does not occur inside the fuel cell stack 3. The target air flow rate increases as the target generated current increases, and when reaching the predetermined flow rate value, the target air flow rate does not take a larger value even if the target generated current increases. That is, there is a maximum flow rate value for the target air flow rate. <405-2> Next, based on the target air pressure calculated in step S403 and the target air flow rate, the command rotational speed of the compressor 6 is calculated using the map data shown in FIG. The map data in FIG. 11 is set based on the characteristics of the air flow rate with respect to the rotation speed and pressure ratio of the compressor 6. The command rotational speed of the compressor 6 increases as the target air flow rate increases, and when it reaches a predetermined value, it does not take a larger value even if the target air flow rate increases. That is, there is a maximum value for the command rotational speed of the compressor 6. Further, the command rotational speed of the compressor 6 decreases as the target air pressure increases, but the maximum value does not change. The command rotational speed of the compressor 6 calculated here is instructed from the controller 13 to the drive circuit of the compressor 6, and the compressor 6 is driven according to the command rotational speed.

（６）最後に、Ｓ４０６段階において、空気の圧力制御を行う。ここでは、目標空気圧力に基づいて、空気圧力制御弁１２を操作することによって空気圧力を制御する。空気圧力制御弁１２の操作は、空気入口圧力センサ１５で検出した燃料電池スタック３内の空気圧力と目標空気圧力との偏差に基づいて、Ｆ／Ｂ制御により空気圧力制御弁１２の指令開度を決定することにより、実行される。なお、このＦ／Ｂ制御は、ＰＩ制御やモデル規範型制御など一般的によく知られている方法により構成することができる。また、ここで算出された空気圧力制御弁１２の指令開度は、コントローラ１３から空気圧力制御弁１２の駆動回路に対して指示されて、空気圧力制御弁１２はこの指令開度に従って駆動される。   (6) Finally, in step S406, air pressure control is performed. Here, the air pressure is controlled by operating the air pressure control valve 12 based on the target air pressure. The operation of the air pressure control valve 12 is performed based on the command opening degree of the air pressure control valve 12 by F / B control based on the deviation between the air pressure in the fuel cell stack 3 detected by the air inlet pressure sensor 15 and the target air pressure. It is executed by determining. This F / B control can be configured by a generally well-known method such as PI control or model reference control. Further, the command opening degree of the air pressure control valve 12 calculated here is instructed from the controller 13 to the drive circuit of the air pressure control valve 12, and the air pressure control valve 12 is driven according to the command opening degree. .

図３のＳ０５段階では、第２の目標発電電力に基づいて、燃料電池スタック３の発電電力制御を行う。第２の目標発電電力は、コントローラ１３から電力制御装置２４に対して指示され、発電指令電力（第２の目標発電電力）に従って燃料電池スタック３の発電電力が制御される。   In step S05 of FIG. 3, the generated power of the fuel cell stack 3 is controlled based on the second target generated power. The second target generated power is instructed from the controller 13 to the power control device 24, and the generated power of the fuel cell stack 3 is controlled according to the power generation command power (second target generated power).

図１２（ａ）に示すように、関連技術に係わる燃料電池システムにおいて、時刻ｔ1以後に燃料電池スタックへの電気負荷が増加した場合に、取り出し電流の変化と目標ガス圧力の変化の位相が一致しているので、ガス圧力の過大なオーバーシュートは発生することがない。一方、時刻ｔ2以後に燃料電池スタックへの電気負荷が減少した場合にも、取り出し電流の変化と目標ガス圧力の変化の位相が一致している。したがって、水素ガスの供給は循環系を構成しているため、取り出し電流が低下しても、水素ガスの圧力の減少がこれに追従することができず、空気と水素ガスの差圧が大きくなってしまい、燃料電池スタック内の反応膜の耐久性が悪化してしまう。 As shown in FIG. 12A, in the fuel cell system according to the related art, when the electric load to the fuel cell stack increases after time t 1 , the phase of the change in the extraction current and the change in the target gas pressure is Since they agree with each other, an excessive overshoot of the gas pressure does not occur. On the other hand, even when the electrical load on the fuel cell stack decreases after time t 2, the phase of the change in the extraction current and the change in the target gas pressure match. Therefore, since the supply of hydrogen gas constitutes a circulation system, even if the extraction current decreases, the decrease in the pressure of hydrogen gas cannot follow this, and the differential pressure between air and hydrogen gas increases. As a result, the durability of the reaction membrane in the fuel cell stack deteriorates.

これに対して、図１２（ｂ）に示すように、図１に示した燃料電池システムにおいて、時刻ｔ1以後に燃料電池スタック３への電気負荷が増加した場合、第１の目標発電電力よりも第２の目標発電電力の方が小さくなる。よって、目標ガス圧力は第２の目標発電電力に基づいて設定される。よって、上述した関連技術と同じ作用により、ガス圧力の過大なオーバーシュートは発生することがない。一方、時刻ｔ2以後に燃料電池スタック３への電気負荷が減少した場合、第１の目標発電電力よりも第２の目標発電電力の方が大きくなる。よって、目標ガス圧力は第１の目標発電電力に基づいて設定される。よって、取り出し電流の変化に対して目標ガス圧力の変化の位相が進んでいるので、取り出し電流の減少に対して目標ガス圧力の減少が早まり、水素圧力の減少が取り出し電流の減少に追従して遅れることがない。これにより、水素ガスと空気の差圧を小さくすることができる。 In contrast, as shown in FIG. 12 (b), in the fuel cell system shown in FIG. 1, when the electrical load to the fuel cell stack 3 is increased at time t 1 after, than the first target generated power However, the second target generated power is smaller. Therefore, the target gas pressure is set based on the second target generated power. Therefore, an excessive overshoot of the gas pressure does not occur due to the same action as the related art described above. On the other hand, if the electrical load to the fuel cell stack 3 at time t 2 after decreases, than the first target generated power toward the second target generated power increases. Therefore, the target gas pressure is set based on the first target generated power. Therefore, since the phase of the change of the target gas pressure is advanced with respect to the change of the extraction current, the decrease of the target gas pressure is accelerated with respect to the decrease of the extraction current, and the decrease of the hydrogen pressure follows the decrease of the extraction current. There is no delay. Thereby, the differential pressure | voltage of hydrogen gas and air can be made small.

図１２（ｂ）は、目標発電電力に基づいて、目標空気圧力及び目標水素圧力を同じ値として算出した場合の結果である。したがって、目標空気圧力を水素入口圧力センサ９が測定した水素ガスの実際の圧力と等しく設定した場合、時刻ｔ2以後に燃料電池スタック３への電気負荷が減少した場合、水素と空気の差圧をさらに減少させることができる。 FIG. 12B shows the result when the target air pressure and the target hydrogen pressure are calculated as the same value based on the target generated power. Therefore, when the target air pressure hydrogen inlet pressure sensor 9 set equal to the actual pressure of the hydrogen gas measurement, when the electrical load to the fuel cell stack 3 is reduced to the time t 2 after the hydrogen and air pressure difference Can be further reduced.

図１３に示すように、時刻ｔa以後に燃料電池スタック３への電気負荷が減少している最中に時刻ｔbを境に増加に転じた場合、即ち、燃料電池スタック３の発電電力が減少している最中に増加に転じた場合、時刻ｔbから時刻ｔcの間で、第２の目標発電電力が第１の目標発電電力よりも大きくなることがある。この場合、通常どおり、図３のＳ０３段階で第１の目標発電電力と第２の目標発電電力の小さい方、つまり第１の目標発電電力を選択して、その選択した目標発電電力に基づいてガス供給制御を行うと、電気負荷が増加に転じた後に、燃料電池スタック３の取り出し電流の増加に対して、水素ガス及び空気の供給が不足してしまう。 As shown in FIG. 13, when the electric load on the fuel cell stack 3 is decreasing after the time t a , when the electric load starts to increase at the time t b , that is, the generated power of the fuel cell stack 3 is When it starts to increase while decreasing, the second target generated power may become larger than the first target generated power between time t b and time t c . In this case, as usual, the smaller one of the first target generated power and the second target generated power, that is, the first target generated power is selected in step S03 in FIG. 3, and based on the selected target generated power. When the gas supply control is performed, the supply of hydrogen gas and air becomes insufficient with respect to the increase in the extraction current of the fuel cell stack 3 after the electric load starts to increase.

図１３に示すように、燃料電池スタック３への電気負荷が増加している時（ｔb−ｔc）であって、第１の目標発電電力より第２の目標発電電力の方が大きい場合には、特別制御部３７を稼動させて、ガス供給制御を行うための目標発電電力として、第２の目標発電電力を選択する。このことにより、燃料電池スタック３の発電制御とガス供給制御がともに第２の目標発電電力に基づいて実施されるので、ガス供給の不足が発生しない。 As shown in FIG. 13, when the electrical load on the fuel cell stack 3 is increasing (t b −t c ), and the second target generated power is larger than the first target generated power. For this, the special control unit 37 is operated to select the second target generated power as the target generated power for performing the gas supply control. As a result, since the power generation control and gas supply control of the fuel cell stack 3 are both performed based on the second target generated power, there is no shortage of gas supply.

以上説明したように、第１に、第２の目標発電量に基づいて燃料電池スタック３の発電電力を制御する一方、発電電力が増加する場合には第２の目標発電量に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御し、発電電力が減少する場合には第１の目標発電量に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御する。これにより、燃料電池スタック３の発電電力の減少に対して、水素ガス及び空気の供給量の減少を早めることが可能となる。したがって、燃料電池スタック３への電気負荷が減少する場合に、水素ガスの圧力の減少を早めることができるので、水素ガスと空気の圧力差を抑制することができる。また、その際に、燃料電池システムに余剰電力が発生せず、空気供給を増量する必要もない。   As described above, firstly, the generated power of the fuel cell stack 3 is controlled based on the second target power generation amount, while the hydrogen gas is generated based on the second target power generation amount when the generated power increases. When the generated power decreases, the supply of hydrogen gas and air is controlled based on the first target power generation amount. Thereby, it is possible to accelerate the decrease in the supply amount of hydrogen gas and air with respect to the decrease in the generated power of the fuel cell stack 3. Therefore, when the electrical load on the fuel cell stack 3 decreases, the decrease in hydrogen gas pressure can be accelerated, so that the pressure difference between hydrogen gas and air can be suppressed. At this time, surplus power is not generated in the fuel cell system, and there is no need to increase the air supply.

第２に、第２の目標発電量に基づいて燃料電池スタック３の発電電力を制御し、第１の目標発電電力と第２の目標発電電力の小さい方に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御することにより、大小関係の比較という容易な演算によって、目標発電電力を選択することができる。つまり、燃料電池スタック３への電気負荷が増加する場合には、第１の目標発電電力より第２の目標発電電力の方が小さいため第２の目標発電量に基づいて水素ガス及び空気の供給が制御され、また、燃料電池スタック３への電気負荷が減少する場合には、第２の目標発電電力より第１の目標発電電力の方が小さいため第１の目標発電量に基づいて水素ガス及び空気の供給が制御される。したがって、容易な演算によって、燃料電池スタック３への電気負荷が減少する場合に、水素ガスの圧力の減少を早めることができ、水素ガスと空気の圧力差を抑制することができる。   Second, the generated power of the fuel cell stack 3 is controlled based on the second target power generation amount, and the supply of hydrogen gas and air is performed based on the smaller of the first target generated power and the second target generated power. By controlling, the target generated power can be selected by an easy calculation of comparing the magnitude relation. That is, when the electrical load on the fuel cell stack 3 increases, the second target generated power is smaller than the first target generated power, so that the supply of hydrogen gas and air is based on the second target generated power. Is controlled, and when the electric load on the fuel cell stack 3 decreases, the first target generated power is smaller than the second target generated power. And the supply of air is controlled. Therefore, when the electrical load on the fuel cell stack 3 decreases by an easy calculation, the decrease in the pressure of the hydrogen gas can be accelerated, and the pressure difference between the hydrogen gas and air can be suppressed.

第３に、発電電力の増加時であって、第１の目標発電電力より第２の目標発電電力の方が大きい場合には、第２の目標発電量に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御する。これにより、燃料電池スタック３への電気負荷が減少している最中に増加に転じた場合であって、且つ第１の目標発電電力より第２の目標発電電力の方が大きくなった場合でも、第２の目標発電電力に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御することができる。したがって、燃料電池スタック３への電気負荷が頻繁に変化する場合においても、電気負荷の増加時には、発電電力制御とガス供給制御を同じ目標発電電力に基づいて行うことができるので、発電電力に対応した水素ガス及び空気の供給が可能である。   Third, when the generated power is increased and the second target generated power is larger than the first target generated power, supply of hydrogen gas and air is performed based on the second target generated power. Control. As a result, even when the electric load on the fuel cell stack 3 starts to decrease and the second target generated power is larger than the first target generated power. The supply of hydrogen gas and air can be controlled based on the second target generated power. Therefore, even when the electric load to the fuel cell stack 3 changes frequently, the generated power control and the gas supply control can be performed based on the same target generated power when the electric load increases, so that the generated power can be handled. Hydrogen gas and air can be supplied.

第４に、ドライバのアクセル操作量に基づいて第１の目標発電量を算出することにより、容易な手段によって、燃料電池スタック３への電気負荷の減少要求を検知することができる。したがって、車両に搭載された燃料電池スタック３の電気負荷が減少する場合に、容易な手段によって、水素ガス及び空気の圧力の減少を早めることができるので、水素ガスと空気の圧力差を抑制することができる。   Fourth, by calculating the first target power generation amount based on the accelerator operation amount of the driver, it is possible to detect a request for reducing the electric load on the fuel cell stack 3 by an easy means. Accordingly, when the electric load of the fuel cell stack 3 mounted on the vehicle decreases, the reduction in the pressure of hydrogen gas and air can be accelerated by an easy means, so the pressure difference between the hydrogen gas and air is suppressed. be able to.

第５に、水素ガスの実際の圧力を目標空気圧力に設定して、目標空気圧力に基づいて空気圧力を制御することにより、燃料電池スタック３への電気負荷が減少する場合に、燃料電池スタック３の発電電力の減少に対して、水素ガス及び空気の供給量の減少を早めた上で、空気の圧力を水素ガスの圧力に追従させることができる。したがって、燃料電池スタック３への電気負荷が減少する場合に、水素ガス圧力の減少を早めることができると同時に、空気の圧力を水素ガスの圧力と一致させることができるので、水素ガスと空気の圧力差をほぼ無くすことができる。   Fifth, when the electric load on the fuel cell stack 3 is reduced by setting the actual pressure of the hydrogen gas to the target air pressure and controlling the air pressure based on the target air pressure, the fuel cell stack In contrast to the decrease in the generated power 3, the reduction of the supply amount of hydrogen gas and air can be accelerated, and the pressure of air can be made to follow the pressure of hydrogen gas. Therefore, when the electrical load on the fuel cell stack 3 is reduced, the hydrogen gas pressure can be reduced quickly and at the same time the air pressure can be matched with the hydrogen gas pressure. The pressure difference can be almost eliminated.

上記のように、本発明は、１つの実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。   As described above, the present invention has been described according to one embodiment. However, it should not be understood that the description and the drawings, which form a part of this disclosure, limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.

例えば、本発明の実施の形態では、図４に示したように、ドライバのアクセル操作量に基づいて第１の目標発電電力を算出したが、本発明はこれに限定されることはなく、燃料電池スタック３が発電するために稼動させる補機類の消費電力を考慮して第１の目標発電電力を算出しても構わない。   For example, in the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 4, the first target generated power is calculated based on the accelerator operation amount of the driver. However, the present invention is not limited to this, and the fuel is not limited to this. The first target generated power may be calculated in consideration of the power consumption of the auxiliary machines that are operated to generate power by the battery stack 3.

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。   Thus, it should be understood that the present invention includes various embodiments and the like not described herein. Therefore, the present invention is limited only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from this disclosure.

本発明の実施の形態に係わる燃料電池システム及びその制御装置を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a fuel cell system and its control device according to an embodiment of the present invention. 図１のコントローラの詳細な構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the detailed structure of the controller of FIG. 図１及び図２に示した燃料電池システムの制御装置（コントローラ）の制御手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control procedure of the control apparatus (controller) of the fuel cell system shown in FIG.1 and FIG.2. 図３のＳ０１段階の詳細な構成を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detailed structure of step S01 of FIG. 図３のＳ０３段階の詳細な構成を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detailed structure of step S03 of FIG. 図３のＳ０４段階の詳細な構成を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detailed structure of step S04 of FIG. 車両速度をパラメータとしたドライバのアクセル操作量と第１の目標発電電力の相互関係を示すグラフである。It is a graph which shows the correlation of the amount of driver's accelerator operation which used vehicle speed as a parameter, and the 1st target generated electric power. 燃料電池スタックの温度をパラメータとした燃料電池スタックの電流電圧特性を示すグラフである。It is a graph which shows the current voltage characteristic of the fuel cell stack which made the temperature of the fuel cell stack a parameter. 目標発電電流と目標水素圧力との相互関係を示すグラフである。It is a graph which shows the correlation between a target electric power generation current and a target hydrogen pressure. 目標発電電流と目標空気流量との相互関係を示すグラフである。It is a graph which shows the correlation between a target electric power generation current and a target air flow rate. 目標空気圧力をパラメータとした目標空気流量とコンプレッサの指令回転数との相互関係を示すグラフである。It is a graph which shows the correlation between the target air flow rate which used the target air pressure as a parameter, and the command rotation speed of a compressor. 図１２（ａ）は本発明に関連する他の技術（関連技術）に係わる燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックへの電気負荷が変動した場合の、目標発電電力、燃料電池スタックから取り出される電流（出力電流）、目標ガス圧力、及び実際の水素ガス圧及び空気圧力の変化をそれぞれ示したグラフであり、図１２（ｂ）は図１の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックへの電気負荷が変動した場合の、目標発電電力、燃料電池スタックの出力電流、目標ガス圧力、及び実際の水素ガス圧及び空気圧力の変化をそれぞれ示したグラフである。FIG. 12 (a) shows a target generated power and a current taken out from the fuel cell stack when an electric load to the fuel cell stack fluctuates in a fuel cell system according to another technology (related technology) related to the present invention. FIG. 12B is a graph showing changes in the output current), target gas pressure, and actual hydrogen gas pressure and air pressure, and FIG. 12B shows the fluctuation of the electric load on the fuel cell stack in the fuel cell system of FIG. FIG. 6 is a graph showing changes in target generated power, fuel cell stack output current, target gas pressure, and actual hydrogen gas pressure and air pressure, respectively. 燃料電池スタックへの電気負荷が減少している最中に増加に転じた場合の第１の目標発電電力及び第２の目標発電電力の変化を示したグラフである。It is the graph which showed the change of the 1st target generated electric power and the 2nd target generated electric power at the time of starting to increase while the electric load to a fuel cell stack is decreasing.

符号の説明Explanation of symbols

１…エゼクタ
２…水素循環流路
３…燃料電池スタック
４…水素パージ弁
６…コンプレッサ
８…水素入口温度センサ
９…水素入口圧力センサ
１２…空気圧力制御弁
１３…制御装置（コントローラ）
１４…水素圧力制御弁
１５…空気入口圧力センサ
１６…空気流量センサ
１７…電流センサ
１８…電圧センサ
２１…タンク圧力センサ
２２…タンク温度センサ
２３…水素タンク
２４…電力制御装置
３０…第１の目標発電電力算出部
３１…第２の目標発電電力算出部
３２…発電電力制御部
３３…ガス供給制御部
３４…燃料ガス圧力制御部
３５…酸化剤ガス圧力制御部
３６…通常制御部
３７…特別制御部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ejector 2 ... Hydrogen circulation flow path 3 ... Fuel cell stack 4 ... Hydrogen purge valve 6 ... Compressor 8 ... Hydrogen inlet temperature sensor 9 ... Hydrogen inlet pressure sensor 12 ... Air pressure control valve 13 ... Control apparatus (controller)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 14 ... Hydrogen pressure control valve 15 ... Air inlet pressure sensor 16 ... Air flow sensor 17 ... Current sensor 18 ... Voltage sensor 21 ... Tank pressure sensor 22 ... Tank temperature sensor 23 ... Hydrogen tank 24 ... Power control device 30 ... 1st target Generated power calculation unit 31 ... Second target generated power calculation unit 32 ... Generated power control unit 33 ... Gas supply control unit 34 ... Fuel gas pressure control unit 35 ... Oxidant gas pressure control unit 36 ... Normal control unit 37 ... Special control Part

Claims (6)

燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの制御装置において、
前記燃料電池スタックに要求される第１の目標発電電力を算出する第１の目標発電電力算出手段と、
前記第１の目標発電電力に対して変化率制限、若しくは、一次遅れ処理により得られる第２の目標発電電力を算出する第２の目標発電電力算出手段と、
前記第２の目標発電電力に基づいて前記燃料電池スタックの発電電力を制御する発電電力制御手段と、を備え、
前記燃料電池スタックの発電電力が減少する場合には、前記第１の目標発電電力に基づいて前記燃料ガスの供給を制御するガス供給制御手段 とを有することを特徴とする燃料電池システムの制御装置。 In a control device for a fuel cell system including a fuel cell stack that generates electricity by electrochemically reacting a fuel gas and an oxidant gas,
First target generated power calculating means for calculating a first target generated power required for the fuel cell stack;
A second target generated power calculating means for calculating a second target generated power obtained by limiting the rate of change with respect to the first target generated power or by a first-order lag process ;
Generated power control means for controlling the generated power of the fuel cell stack based on the second target generated power, and
When said generated power of the fuel cell stack is decreased, control of the fuel cell system and having a gas supply control means for controlling the supply of the fuel gas based on the first target generated power apparatus. 前記ガス供給制御手段は、前記燃料電池スタックの発電電力が増加する場合には、前記第２の目標発電電力に基づいて前記燃料ガスの供給を制御する通常制御部を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。 The gas supply control unit, when generated power of the fuel cell stack is increased, and further comprising a normal control section for controlling the supply of the fuel gas based on the second target generated power The control device for a fuel cell system according to claim 1. 前記ガス供給制御手段は、前記燃料電池スタックの発電電力が増加する場合であって、且つ前記第２の目標発電電力が前記第１の目標発電電力よりも大きい場合には、前記第２の目標発電電力に基づいて前記燃料ガスの供給を制御する特別制御部を更に備えることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システムの制御装置。 When the generated power of the fuel cell stack increases and the second target generated power is larger than the first target generated power, the gas supply control means control apparatus for a fuel cell system according to claim 2, further comprising a special control unit for controlling the supply of the fuel gas based on the generated power. 前記第１の目標発電電力算出手段は、前記燃料電池スタックを搭載する車両のアクセル操作量に基づいて前記第１の目標発電電力を算出することを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の燃料電池システムの制御装置。 4. The first target generated power calculation means calculates the first target generated power based on an accelerator operation amount of a vehicle on which the fuel cell stack is mounted. 5. The control apparatus of the fuel cell system described. 前記燃料電池スタックへ供給される前記燃料ガスの圧力を目標酸化剤ガス圧力として設定し、前記目標酸化剤ガス圧力に基づいて前記燃料電池スタックへ供給される前記酸化剤ガスの圧力を制御する酸化剤ガス圧力制御部を備えることを特徴とする請求項１乃至４何れか１項記載の燃料電池システムの制御装置。 Set the pressure of the fuel gas supplied to the pre-Symbol fuel cell stack as a target oxidant gas pressure, for controlling the pressure of the oxidant gas supplied to the fuel cell stack based on the target oxidant gas pressure The control device for a fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, further comprising an oxidant gas pressure control unit. 燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池スタックに要求される第１の目標発電電力を算出し、
前記第１の目標発電電力に対して変化率制限、若しくは、一次遅れ処理により得られる第２の目標発電電力を算出し、
前記第２の目標発電電力に基づいて前記燃料電池スタックの発電電力を制御し、
前記燃料電池スタックの発電電力が減少する場合には、前記第１の目標発電電力に基づいて前記燃料ガスの供給を制御する ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

A control method of a fuel cell system including a fuel cell stack that generates electricity by electrochemically reacting a fuel gas and an oxidant gas,
Calculating a first target generated power required for the fuel cell stack;
Calculating the second target generated power obtained by the rate- of- change limitation or the first-order lag processing with respect to the first target generated power;
Controlling the generated power of the fuel cell stack based on the second target generated power;
When said generated power of the fuel cell stack is decreased, the control method of the fuel cell system and controls the supply of the fuel gas based on the first target generated power.

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